李俊敏

(南京理工大學(xué) 紫金學(xué)院， 南京　210023)

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河工模型尾門水位控制系統(tǒng)的設(shè)計與研究

李俊敏

(南京理工大學(xué) 紫金學(xué)院， 南京210023)

摘要：為了提高河工模型試驗自動控制的水平，確保試驗過程的精確性，自主開發(fā)了尾門水位控制系統(tǒng)。通過研究尾門結(jié)構(gòu)，采用尾門水位的PID調(diào)節(jié)算法，結(jié)合拉格朗日插值方法，實現(xiàn)了尾門水位的自動控制。恒定流和非恒定流試驗結(jié)果表明：該控制系統(tǒng)保證了尾門水位控制的快速性和穩(wěn)定性；提高了試驗精度，其尾門水位控制重復(fù)精度<1 mm；該系統(tǒng)可使河工模型研究試驗的可重復(fù)性得到提高，且提高了試驗效率，節(jié)約了試驗成本。

關(guān)鍵詞：河工模型；尾門水位控制系統(tǒng)；柵板式尾門； PID調(diào)節(jié)；目標水位；尾門水位

1河工模型尾門機構(gòu)的研究現(xiàn)狀

一直以來，河工模型用來模擬實際水流變化的規(guī)律，也是研究河流、水流和泥沙之間的各種關(guān)系的重要手段，為水利水電研究提供了試驗資料。而模型試驗研究水平的提高在很大程度上依賴于控制系統(tǒng)的創(chuàng)新和突破，其中尾門水位控制成為河工模型控制系統(tǒng)的關(guān)鍵。

目前，在河工模型中，主要有2種尾門：翻板式尾門和推拉式尾門。翻板式尾門固定在模型底部的軸上，由電機帶動軸旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)尾門的翻轉(zhuǎn)，從而調(diào)節(jié)水槽尾部的水位，如圖1(a)所示。這種尾門在翻轉(zhuǎn)過程中容易引起水槽尾部水位震蕩，且難以消除，影響水位控制精度。

推拉式尾門由固定板和移動板組成，其中固定板和移動板都存在開口處，開口相同且均等，如圖1(b)所示。通過伺服電機帶動和聯(lián)軸器相連的帶螺紋軸旋轉(zhuǎn)，從而使得專用螺母帶動移動板左右移動，通過此方式可調(diào)整移動板與固定板之間的相對橫向位置，改變固定板和移動板開口處的間隙，調(diào)節(jié)尾門水位，此尾門加工過程中難以保證精度，易出現(xiàn)漏水現(xiàn)象，小流量調(diào)節(jié)困難[1]。

圖1　河工模型尾門主要類型Fig.1　Main types of tail gate of river model

2尾門水位控制系統(tǒng)的研究

2.1新型柵板式尾門

本文的河工模型采用由筆者所在的科研團隊參與研制的柵板旋轉(zhuǎn)式尾門，這種新式尾門不同于前述2種常規(guī)的尾門，其尾門由多塊柵板組成，如圖2所示。通過聯(lián)軸器將電機和蝸桿連接為一體，由伺服電機帶動蝸桿旋轉(zhuǎn)，蝸桿帶動蝸輪，蝸輪帶動?xùn)虐褰M件旋轉(zhuǎn)。通過控制電機的轉(zhuǎn)向和旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)，可實現(xiàn)柵板的正反轉(zhuǎn)和旋轉(zhuǎn)角度位置的調(diào)節(jié)。對于柵板式尾門，通過控制柵板旋轉(zhuǎn)位置的角度和速度，可控制尾門的出水量，從而實現(xiàn)調(diào)節(jié)尾門水位的目的。

圖2　柵板式尾門

2.2總體系統(tǒng)設(shè)計與研究

河工模型在試驗過程中，根據(jù)實際要求，可以模擬正向流、逆向流等。試驗時，目標水位值由上位機給定，上位機根據(jù)目標水位的特征點和要求的時間間隔進行相應(yīng)的插值處理。將通過水位儀采集到的水位值和插值的計算值比較，其差值經(jīng)過PID調(diào)節(jié)器，控制伺服電機，由電機驅(qū)動尾門，調(diào)節(jié)河工模型的水位，使控制點的水位值接近于給定的水位目標值，上位機將實測值與目標值進行比較，根據(jù)差值進行修正，使其達到理想值。

圖3　尾門水位控制系統(tǒng)工作原理Fig.3　Working principleof the water level controlsystem of tail gate

本系統(tǒng)僅控制出流流量，即尾門水位值，尾門水位控制系統(tǒng)首先將根據(jù)試驗要求而設(shè)定尾門水位的目標值。若為非恒定流，由于該目標值為多個不同時間內(nèi)的不同水位值，必須先擬合目標水位曲線；若為恒定流，該目標值將為1個恒定水位值，即1條平直的水位曲線。尾門水位控制系統(tǒng)工作原理如圖3所示，上位機將根據(jù)目標水位曲線設(shè)定尾門開度，并通過RS485傳送到控制器，控制器根據(jù)接收到的控制指令控制伺服電機，編碼器測得電機轉(zhuǎn)速反饋給控制器，形成第一路閉環(huán)，同時將實際水位值反饋給上位機，形成第二路閉環(huán)。此時，上位機將完成尾門水位控制系統(tǒng)的運算控制、曲線顯示、參數(shù)修訂、算法修正及數(shù)據(jù)的分析處理等[2]。

2.3尾門水位控制算法研究根據(jù)試驗要求，尾門水位控制系統(tǒng)需準確、穩(wěn)定、可靠、迅速，為了達到這樣的控制要求，一般采用不同的方法用于不同的控制階段。首先，從開始調(diào)節(jié)處到水位達到目標值，這一階段采用PD控制，可達到快速響應(yīng)，通過調(diào)節(jié)電機的轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)速，使水位達到目標值。其次，水位達到目標值后，將進入振蕩衰減的階段，此時需平穩(wěn)調(diào)節(jié)，使水位保持穩(wěn)定，波動小，此時，采用自適應(yīng)模糊PID算法，使水位達到穩(wěn)定的控制值[3]。如圖4所示。

圖4　尾門水位控制系統(tǒng)算法結(jié)構(gòu)Fig.4　Algorithm structure of the water levelcontrol system

對于尾門水位這種控制對象不明確的情況下，采用PID調(diào)節(jié)時，靈活多變，參數(shù)易于調(diào)整。本系統(tǒng)采用PID和PD這2種算法，當(dāng)水位偏差>1 mm時，采用PD算法，可以改善尾門水位的動態(tài)特性；當(dāng)水位偏差<1 mm時，采用PID算法，可以提高尾門水位的穩(wěn)態(tài)精度[4]。

當(dāng)水位偏差>1 mm時， PD算法校正控制量：

(1)

離散化后，

(2)

式中：Pn為第n次水位控制量；en為第n次采樣的偏差值；e(n-1)為第n-1次采樣的偏差值；T為采樣周期。

通過推算，將該算法寫入程序，為

(3)

式中R(n-1)和A′均為計算程序中的臨時變量。

令：

(4)

(5)

(6)

式中：Rn和B′均為計算程序中的臨時變量;TD為PID算法中的微分時間。

取初值Rn-1=0，按照該算法，運行程序?qū)⒂嬎忝恳徊降膃n,Pn,Rn，而Rn可用于計算下一步的Pn。

當(dāng)水位偏差<1 mm時，PID算法控制校正量：

(7)

式中：Kp為PID算法中的比例系數(shù)；T1為 PID算法中的積分時間。

離散化后：

(8)

式中ei為第i次偏差值。

同時，

(9)

式中ΔPn為第n次水位控制量與第n-1次水位控制量的差值。

故寫入程序中的實際運算方法為

(10)

式中Qn-1和A均為計算程序中的臨時變量。

令：

(11)

(12)

(13)

(14)

式中Qn,B和C均為計算程序中的臨時變量。

初值取Qn-1=0 , en-1=0,程序中每一步都會計算en,Pn,Qn,而其中Qn用于計算下一步的Pn。

2.4尾門水位控制應(yīng)用軟件的設(shè)計

該河工模型的尾門水位控制系統(tǒng)中，為了保證尾門水位的控制精度，每控制周期內(nèi)進行1次拉格朗日插值計算和控制點的水位采集，并進行相應(yīng)的PID調(diào)節(jié)，輸出電機轉(zhuǎn)速。尾門水位控制部分流程圖如圖5所示，PID控制算法的流程圖如圖6所示。

圖5 尾門水位控制流程Fig.5 Flowchartofcontrollingwaterleveloftailgate圖6 尾門水位PID控制算法流程Fig.6 FlowchartofPIDcontrollingalgorithm

3系統(tǒng)調(diào)試

根據(jù)河工模型尾門水位的控制要求，進行軟硬件設(shè)計，軟件采用MCGS組態(tài)軟件，通過控制器控制伺服電機，采集反饋水位值，采用PID算法，實現(xiàn)尾門水位的精確控制。

該河工模型采用平水塔，上游通過控制電動調(diào)節(jié)閥的開度調(diào)節(jié)入水量，通過電磁流量計作為反饋裝置，精確調(diào)節(jié)入水流量。尾部水位通過尾門電機調(diào)節(jié)柵板的角度，控制尾部出水量，采用水位儀作為反饋裝置，穩(wěn)定準確地調(diào)節(jié)柵板角度，控制出水量，實現(xiàn)目標水位的控制，總體控制順序如圖7所示。

圖7　河工模型總體控制設(shè)計Fig.7　Overall design of the control systemof river model

河工模型可完成恒定流和非恒定流試驗，由于試驗水槽中給出的控制點水位曲線是近似的，需要得到驗證，故必須使用重復(fù)精度來衡量該尾門水位控制系統(tǒng)的性能。

在恒定流試驗中，目標水位值一直不變，僅需在由上位機在“目標水位”處輸入目標水位值，控制程序?qū)⒆詣涌刂莆查T角度調(diào)節(jié)尾門水位，并實時顯示在圖表中，如圖8所示，同時可以將實驗數(shù)據(jù)保存在計算機中，便于后期處理。

圖8　尾門水位調(diào)節(jié)過程Fig.8　Process of adjusting water level of tail gate

對于恒定流試驗，通過調(diào)節(jié)柵板角度調(diào)節(jié)出水量，使得尾門水位值接近目標水位，試驗中，若起始水位與目標水位相差越多，則調(diào)節(jié)時間ΔT越長，通過試驗，聯(lián)調(diào)上游流量和尾門控制水位，ΔT最大為198 s。對于不同的目標水位，不同的上游流量，尾門水位控制重復(fù)精度δ<1 mm，如圖9所示。

圖9 恒定流試驗中尾門水位跟蹤Fig.9 Waterleveltrackinginsteadyflowsystem

而非恒定流試驗中，目標水位將呈現(xiàn)曲線值，則由上位機的系統(tǒng)軟件接受試驗前提供的目標水位值，通過拉格朗日插值運算，PID算法調(diào)節(jié)，實現(xiàn)尾門水位的曲線式自動控制。將目標水位值輸入該尾門水位控制系統(tǒng)，進行驗證試驗，如圖10所示，尾門水位控制精度<1 mm。

圖10 非恒定流試驗中尾門水位跟蹤Fig.10 Waterleveltrackinginnon-steadyflowsystem

4結(jié)論

河工模型尾門水位控制系統(tǒng)是試驗中必不可少的設(shè)備。該尾門水位控制系統(tǒng)可實現(xiàn)由上位機輸入目標水位值或目標水位曲線，通過控制尾門電機和采集尾門水位，采用拉格朗日插值和PID調(diào)節(jié)法，實現(xiàn)尾門水位的調(diào)節(jié)，提高了水位控制的精度。

實踐表明，使用該尾門水位控制系統(tǒng)，既可保證尾門水位調(diào)節(jié)的快速響應(yīng)，也可保證水位控制的精度和穩(wěn)定性。不但使水利研究的試驗精度和可重復(fù)性得到提高，也可大大提高試驗效率，節(jié)省大量的人力和時間。

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(編輯：占學(xué)軍)

Design and Research of Tail Gate Control Systemfor River Model Experiment

LI Jun-min

(Zijin College, Nanjing University of Science and Technology, Nanjing210023, China)

Abstract:A tail gate water level control system was developed independently to improve the automatic control of river model testing and ensure the accuracy of experiment. The system was developed by adopting PID regulation algorithm and Lagrange interpolation method. Tests of steady flow and non-steady flow proved that the control system ensured the speed and stability of tail gate level control and improved the accuracy of the experiment. The repetitive precision of tail-water controlling is less than one millimeter. The results suggest that the system could improve the experiment’s repeat accuracy, enhance efficiency, and reduce the cost of experiment.

Key words:river model; tail gate water level control system; grid plate tail gate; PID regulation; target water-level; tail gate water level

中圖分類號：TV131.66;TV83

文獻標志碼：A

文章編號：1001-5485(2016)05-0135-04

doi:10.11988/ckyyb.201501072016,33(05):135-138

作者簡介：李俊敏(1977-)，女，江蘇豐縣人，講師，碩士，主要從事機電控制技術(shù)的研究，(電話)18751873372(電子信箱)407260319@qq.com。

收稿日期：2015-01-28;修回日期:2015-06-14